談?wù)剾]量產(chǎn)的18吋晶圓

　　多少年來，半導(dǎo)體業(yè)以遵循摩爾定律的技術(shù)發(fā)展為首要原動力。

　　在摩爾定律推動下，生產(chǎn)成本不斷下降，也帶來了技術(shù)革新。為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和利潤，晶圓尺寸的擴(kuò)大和芯片線寬的減小是集成電路行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的兩條主線。

　　通常來講，半導(dǎo)體行業(yè)每十年升級 fab 架構(gòu)來增加晶圓直徑，而同時(shí)工藝制程則是保持在每兩年一個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度。隨著納米尺度逼近物理極限，工藝節(jié)點(diǎn)的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)放緩，晶圓尺寸的增加變得越來越重要。

　　晶圓尺寸越大則每片晶圓上可以制造的芯片數(shù)量就越多，從而制造成本就越低。

　　晶圓尺寸從早期的 2 英寸(50mm)、4 英寸(100mm)，發(fā)展到 6 英寸(150mm)、8 英寸(200mm)和 12 英寸(300mm)，大約每 10 年升級一次。

　　1991 年業(yè)界開始投產(chǎn) 200mm 晶圓，2001 年左右起步向 300mm 晶圓過渡，依次類推，ITRS ( 國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖 ) 和摩爾定律都認(rèn)為，2010 年之后逐漸開始邁向 450mm(18 英寸)晶圓。

　　彼時(shí)，英特爾、三星和臺積電等行業(yè)巨頭都表示了肯定態(tài)度，為 2012 年過渡到 450mm 而做著準(zhǔn)備，與制造設(shè)備、材料廠商開展協(xié)商以便供應(yīng)設(shè)備和材料，同時(shí)進(jìn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。他們設(shè)想向 450mm 過渡就像以往向 300mm 過渡一樣，可以增加向用戶提供的價(jià)值，生產(chǎn)率翻番。

　　200mm 晶圓到 300mm 的遷移，曾經(jīng)讓單位晶體管成本突破摩爾定律，產(chǎn)生了躍變。這也很好理解，越大的晶圓就能夠切割出更多的 Die，從而大大降低單晶體管的價(jià)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每次提升晶圓尺寸，產(chǎn)出 Die 的數(shù)量至少提高一倍。

　　然而，一切理想中的優(yōu)勢和規(guī)劃終究未能落地。有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)前一代晶圓變成主流，支持了大約 40%   的總產(chǎn)能時(shí)(從而可以維持健康的產(chǎn)能組合，成本足以支持不同的應(yīng)用)，新一代晶圓就會開始。

　　然而，目前世界上芯片的產(chǎn)能超過 70% 是 12 英寸晶圓，第一條 12 英寸 Fab 線迄今已近二十年，我們卻尚未看到下一代 18 英寸晶圓廠的出現(xiàn)。

　　那么，18 英寸的計(jì)劃究竟為什么 " 胎死腹中 "?

　　18 英寸晶圓往事

　　萌芽

　　早在 2004 年，在芯片聯(lián)盟 International Sematech 主辦的全球經(jīng)濟(jì)研討會上，時(shí)任美國應(yīng)用材料公司常務(wù)董事 Iddo Hadar 發(fā)言說：" 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在向 450mm 晶圓方向前進(jìn)，450mm 晶圓廠將在 2011-2015 年出現(xiàn)。"

　　2007 年，ISMI(國際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會)強(qiáng)調(diào)，在摩爾定律的指引下，未來生產(chǎn)成本需要降低 30%，產(chǎn)品生產(chǎn)周期需要改善 50%，而這種需求只有過渡到 450mm 晶圓尺寸才能做到。

　　在業(yè)界的一致推崇和引導(dǎo)下，2008 年英特爾宣布與三星、臺積電達(dá)成合作協(xié)議，將在 2012 年投產(chǎn) 450mm 芯片晶圓，預(yù)計(jì)會首先用于切割 22nm 工藝處理器。

　　英特爾相信，從 300mm 晶圓到 450mm 的遷移將使每個(gè)晶圓的芯片數(shù)量增加一倍以上。英特爾、三星和臺積電計(jì)劃與整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)合作，確保所有必需的部件、基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)能力都能在 2012 年完成開發(fā)和測試，并投入試驗(yàn)性生產(chǎn)。

　　這個(gè)藍(lán)圖被寫入到 2009 和 2010 年的 ITRS ( 半導(dǎo)體協(xié)會技術(shù)發(fā)展路線圖 ) 中，但是 2012 年的 ITRS 被重新修改，原定計(jì)劃目標(biāo)全部推遲 2 年。根據(jù) 2012 年 ITRS 規(guī)劃，450mm 晶圓尺寸生產(chǎn)材料及設(shè)備制造商，應(yīng)當(dāng)在 2013-2014 年形成生產(chǎn)能力，并提供相應(yīng)設(shè)備給 IDM 和 Foundry。

　　在 2011 年 Semicon West 會議上，過去一直對 450mm 規(guī)格轉(zhuǎn)換沒什么好感的半導(dǎo)體設(shè)備廠商，在各方的勸說下，也已經(jīng)慢慢轉(zhuǎn)變了對其的態(tài)度，并做出了一些有實(shí)質(zhì)性意義的轉(zhuǎn)變動作。比如應(yīng)用材料公司表示將在 450mm 項(xiàng)目上的投資將超過 1 億美元規(guī)模;量檢具廠商 KLA Tencor 便推出了其可適用于 450mm 晶圓的檢驗(yàn)用工具 Surfscan SP3;450mm 晶圓制造用光刻設(shè)備的兼容性的問題也有望得到暫時(shí)的解決，光刻廠商會推出一些臨時(shí)的解決方案以應(yīng)對光刻機(jī)與 450mm 規(guī)格晶圓兼容的問題。

　　也是在這一年，新上任的紐約州州長 Andrew Cuomo 力主搞個(gè)大政績，邀請芯片五強(qiáng) ( IBM、英特爾、格芯、臺積電和三星 ) 在紐約州研發(fā)下一代芯片技術(shù)，大家表態(tài)投資 44 億美金推進(jìn) 450mm，這就是全球 450 聯(lián)盟 ( G450C ) ，并于美國紐約州 Albany 設(shè)立了 450mm 晶圓技術(shù)研發(fā)中心。

　　450mm 聯(lián)盟成立后，18 英寸晶圓世代的技術(shù)和機(jī)臺設(shè)備有不少方針已開始確立，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁入 18 英寸晶圓世代的重要里程碑。這個(gè)聯(lián)盟的關(guān)鍵基礎(chǔ)是紐約州立大學(xué)理工學(xué)院的實(shí)力和 IBM 微電子大本營多年在該州的耕耘，還有紐約州承諾的政府補(bǔ)貼。期間，Cuomo 還拉著尼康共同出資 3.5 億美元搞 450mm 浸入式光刻機(jī)。

　　實(shí)際上，除了 G450C 聯(lián)盟之外，歐盟在更早時(shí)候搞過一個(gè) EEMI450 的合作計(jì)劃，以色列也搞過一個(gè) Metro450，共計(jì)三個(gè)聯(lián)盟來推動 450mm 晶圓的進(jìn)展，目標(biāo)是可互用研究結(jié)果，減少重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)。

　　除此之外，半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟(SEMATECH)和國際半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(SEMI)等也在推動全球產(chǎn)業(yè)鏈的合作研發(fā)，期望晶圓直徑的增大牽動整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來的改變。

　　衰落

　　然而所有的計(jì)劃都沒有使 450mm 晶圓成功。自 2014 年開始 G450C 聯(lián)盟出現(xiàn)暫緩研發(fā) 450mm 晶圓的跡象。

　　英特爾其實(shí)是最積極推進(jìn) 450mm 的公司。但事不湊巧，G450C 期間(2011-2016)剛好是英特爾搞 14nm Broadwell 的時(shí)間，被用到極限的 DUV 光刻機(jī)和復(fù)雜的 FinFET 使得英特爾當(dāng)時(shí)良率非常低，路線圖各種延誤，沒有心思再去關(guān)注 450mm 晶圓。

　　英特爾在 2014 年的撤退被認(rèn)為是 450mm 晶圓消亡的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。

　　而無心硬件的 IBM 把半導(dǎo)體部賣給了格芯，但格芯并沒有足夠的錢去搞 450mm 這么大的工程，最后白白損失了一大筆之前的投入。

　　針對這種情況，SEMI 和 ISMI(美國國際半導(dǎo)體技術(shù)制造協(xié)會 ) 于 2014 年設(shè)立了一個(gè) EPWG 設(shè)備生產(chǎn)率工作組，對過渡 450mm 晶圓問題進(jìn)行了研究，得出的明確結(jié)論是—— " 此非其時(shí) "。

　　在 2014 年英特爾退出兩年后，臺積電也悄悄退出了 G450C 聯(lián)盟。

　　多年以后，在回顧臺積電放棄 450mm 晶圓的原因時(shí)，前臺積電首席運(yùn)營官蔣尚義在接受采訪時(shí)說道：" 當(dāng)年，英特爾是推動轉(zhuǎn)向 450mm 晶圓的主要推動者，因?yàn)樗�認(rèn)為這是獲得市場優(yōu)勢的另一種方式。18 英寸會將業(yè)內(nèi)小玩家擠出市場，鞏固巨頭地位。

　　臺積電之所以不推廣 450mm 晶圓技術(shù)，原因是臺積電在 300mm 晶圓上已成功擊敗了許多較小的競爭對手，建立了領(lǐng)先優(yōu)勢。但如果到 450mm，就會直接與英特爾和三星展開競爭。

　　英特爾和三星都擁有比臺積電更多的工程師，而且還有更多的收入可以利用，這將有助于兩家公司在 450mm 生產(chǎn)上的投資比臺積電要多。所以，進(jìn)軍 450mm 根本不會幫助臺積電，反而會占用臺積電太多的研發(fā)人員，削弱其在其他領(lǐng)域追求技術(shù)進(jìn)步的能力，實(shí)際上會對公司造成潛在的傷害。"

　　整體而言，業(yè)界對 450mm 晶圓進(jìn)程自開始就有不同的看法，除了上述廠商的猶豫不決和無暇分心之外，其中最為關(guān)鍵的半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，包括如應(yīng)用材料、ASML 等也缺乏積極性，理由是 450mm 設(shè)備不是簡單地把腔體的直徑放大，而是要從根本上對于設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，因此面臨著經(jīng)費(fèi)與人力等問題，更多的擔(dān)心是未來的市場，能否有足夠的投資回報(bào)率。

　　當(dāng)時(shí)的 ASML 也正在 EUV 光刻機(jī)中掙扎，光源效率等問題一直拖后量產(chǎn)的時(shí)間表，資金壓力使 ASML 率先宣布退出 450mm 合作。雖然有尼康的光刻機(jī)支持，但是如果 450mm 整體良率和效率并不能顯著提升的話，成本并不會比 300mm 低。

　　所以，關(guān)于 450mm 晶圓的聲浪看似此起彼伏，但大多數(shù)產(chǎn)業(yè)鏈廠商實(shí)際上都是雷聲大雨點(diǎn)小。

　　如今，工藝制程都發(fā)展到了 3nm，卻仍未見到 450mm 晶圓的身影，甚至都沒有看到行業(yè)廠商在 450mm 晶圓上的規(guī)劃。

　　歸結(jié)其原因，無外乎成本、良率、產(chǎn)業(yè)鏈配套等方面存在不足。

　　18 英寸晶圓的主要挑戰(zhàn)是什么？

　　成本巨大

　　商人往往是無利不起早的，既然 450mm 能夠降低 Die 的成本，那大家為什么不積極布局呢?

　　18 英寸晶圓已經(jīng)被證明是一個(gè) " 海市蜃樓 "，在業(yè)界放棄這個(gè)想法之前，已經(jīng)做了大量的開發(fā)工作，成本問題成為企業(yè)紛紛退出的關(guān)鍵因素。

　　晶圓代紀(jì)遷移的成本是巨大的。據(jù)推算，從 150mm 到 200mm 花了大約 6 年，花費(fèi)將近 15 億美金;而從 200mm 到 300mm 則花了近 10 年時(shí)間，投入了 116 億美金，成本幾乎上漲了近 8 倍。而要進(jìn)化到 450mm，將耗費(fèi)設(shè)備商們超過 1000 億美元的巨額研發(fā)成本。

　　同時(shí)，設(shè)備成本和時(shí)間成本減緩了晶圓尺寸邁向 18 英寸的腳步。雖然 450mm 晶圓的面積是 300mm 的 2 倍多，但生產(chǎn)時(shí)間上要遠(yuǎn)大于 2 倍時(shí)長。

　　SEMI 曾預(yù)測每個(gè) 450mm 晶圓廠將耗資 100 億美元 , 但單位面積芯片成本只下降 8%。高額的資金壓力，以及并不顯著的良率和效率的提升，使得行業(yè)減緩了向 450mm 邁進(jìn)的步伐。

　　然而資金問題并不是 450mm 項(xiàng)目面臨的唯一難題。450mm 規(guī)格轉(zhuǎn)換的時(shí)間點(diǎn)，與節(jié)點(diǎn)制程與 EUV 光刻技術(shù)升級的時(shí)間點(diǎn)相互撞車則是另外一個(gè)不確定負(fù)面因素。

　　良率挑戰(zhàn)

　　且不說是否有合適的經(jīng)濟(jì)模型來模擬 450mm 的各種設(shè)備成本增加，以及各種生產(chǎn)效率和使用率，每一步的良率都是極其不可預(yù)測的變量。

　　從原理來看，晶圓是由硅錠加工而成的，通過專門的工藝可以在硅晶片上刻蝕出數(shù)以百萬計(jì)的晶體管，被廣泛應(yīng)用于集成電路的制造。

　　假設(shè)晶圓本身工藝沒問題且同種芯片的良率穩(wěn)定，那么晶圓直徑越大，晶圓利用率就越高，可產(chǎn)出的芯片數(shù)就越多，每個(gè)芯片的成本也就越低。這也是晶圓廠向更大直徑晶圓制造技術(shù)發(fā)展的原因。

　　但實(shí)際中，晶圓尺寸越大，對微電子工藝、設(shè)備、材料的要求也就越高。因?yàn)榧s 75% 的硅晶片采用直拉法進(jìn)行生產(chǎn)，在結(jié)晶過程中，直徑越大，可能由于旋轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)缺陷的可能性越大。

　　同時(shí)，晶圓直徑越大就意味著重量越大，邊緣處就更容易出現(xiàn)翹曲的情況。因此，晶圓越大，良品率越低，晶圓單位面積成本越高。

　　因此，通過增大晶圓尺寸降低的成本不能彌補(bǔ)大直徑導(dǎo)致晶圓不良率增加成本的時(shí)候，選用更大尺寸的晶圓進(jìn)行生產(chǎn)就變得不經(jīng)濟(jì)。

　　產(chǎn)業(yè)鏈配合力度

　　從行業(yè)規(guī)律來看，向更大晶圓尺寸進(jìn)軍，給較小的市場玩家設(shè)置了進(jìn)入壁壘。從芯片制造廠商方面看，大約有 130   家公司擁有 150mm 晶圓廠，而擁有 200mm 晶圓廠的公司不到 90 家，擁有 300mm 晶圓廠的公司只有 24 家。

　　因?yàn)?450mm 晶圓涉及到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的巨大變化，總投入是千億美元量級的，半導(dǎo)體業(yè)界再也沒有一家企業(yè)能夠獨(dú)家制訂標(biāo)準(zhǔn)和承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)。知乎博主 " 老狼 " 曾表示，如果投入一個(gè) 450mm 的 FAB, 成本將超過 100 億美金，只有少數(shù)公司能承擔(dān)得起一座 450mm 工廠，這將帶來更大的兩極分化現(xiàn)象。

　　總的來看，遷移到新的晶圓尺寸平臺需要半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的上下游合作，會牽涉到整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的資源調(diào)配，研發(fā)以及一體化行動，幾乎所有工具都需要重新研發(fā)、投產(chǎn)和試運(yùn)行。

　　類似地，設(shè)備市場也越來越集中，前 10 家供應(yīng)商所占據(jù)的市場份額已經(jīng)從 90 年代的 60% 增長到了 2000 年代的 75% 以上。為了維持芯片成本下降和行業(yè)持續(xù)增長，晶圓尺寸增大與利益相關(guān)者之間的垂直合作至關(guān)重要。

　　目前在 18 英寸晶圓產(chǎn)線發(fā)展上除了資金和技術(shù)的雙重壓力，導(dǎo)致晶圓廠向 18 英寸晶圓產(chǎn)線轉(zhuǎn)進(jìn)速度急劇放緩的原因還在于設(shè)備廠商的意愿。

　　18 英寸的工作與過去的晶圓尺寸轉(zhuǎn)換不同，在 150mm 時(shí)，英特爾是領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型并支付大量工作費(fèi)用的公司，而在 200mm 時(shí)則是 IBM。在 300mm 時(shí)，設(shè)備公司承擔(dān)了很多成本，他們需要很長時(shí)間才能收回投資。

　　而 450mm 的成本再次被推到設(shè)備公司身上，他們非常不愿意接受這種情況。2014 年，英特爾因利用率低，42 號晶圓廠閑置，因此將資源從 18 英寸撤下，臺積電也在 18 英寸上退讓，設(shè)備公司暫停開發(fā)工作，18 英寸晶圓就此 " 死亡 "。

　　在前車之鑒的陰影下，重振 18 英寸之路并非易事。

　　最初 ASML 的研發(fā)計(jì)劃包括 450mm 晶圓光刻系統(tǒng)和 EUV 光刻機(jī)系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn) 450mm 晶圓的道路上行不通后，ASML 于 2013 年 11 月決定暫停 450mm 光刻系統(tǒng)的開發(fā)，直到看到客戶及市場在這一領(lǐng)域有明確的需求。

　　當(dāng)前，ASML 試圖生產(chǎn)足夠的 EUV 系統(tǒng)并將 High NA 設(shè)備投入生產(chǎn)。12 英寸的 High NA EUV 系統(tǒng)已經(jīng)非常龐大——難以運(yùn)輸，制造更大的 18 英寸版本將是前所未有的工程挑戰(zhàn)。

　　此外，為了維持更大晶圓的均勻性、生產(chǎn)性和良品率，18 英寸產(chǎn)線對晶圓傳送工具、單片加工設(shè)備、精密切割設(shè)備及 CMP 等設(shè)備提出了更高的精準(zhǔn)度要求，要產(chǎn)生更大的成本。加工更大晶圓和更小的容差的設(shè)備變得更加昂貴。

　　隨著晶圓尺寸的增大，對于系統(tǒng)的集成、系統(tǒng)的自動化、材料的特殊要求及整體功耗等都對設(shè)備制造商提出更高的要求。

　　可以預(yù)見，芯片制造商和設(shè)備制造商需要共同努力實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步，這樣才能應(yīng)對先進(jìn)的小型化和晶圓尺寸增長所帶來的更大難題。只有使得芯片制造商與設(shè)備制造商同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙贏，才能持續(xù)推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。同樣設(shè)備制造商需要投資較之前比例更多的研發(fā)費(fèi)用，才能實(shí)現(xiàn) 450mm 晶圓苛刻的工藝及技術(shù)要求。

　　寫在最后

　　對整個(gè)行業(yè)而言，450mm 晶圓尺寸遷移是一個(gè)戰(zhàn)略決策。但是，晶圓尺寸遷移的有效性會受到供應(yīng)鏈上多種行業(yè)的動態(tài)和交互影響。

　　18 英寸晶圓引進(jìn)時(shí)程趨緩，主要因初期需要大規(guī)模投資，由于晶圓尺寸改變，相關(guān)設(shè)備必須配合變動，不僅需要建設(shè)新工廠，設(shè)備也需要更換，對晶圓制造廠和設(shè)備廠來說負(fù)擔(dān)不小。一旦計(jì)劃失敗恐導(dǎo)致較大影響，使得各家設(shè)備大廠頻踩煞車。

　　目前半導(dǎo)體行業(yè)大多轉(zhuǎn)向活用現(xiàn)有設(shè)備，朝微細(xì)化先進(jìn)制程方向進(jìn)行發(fā)展和演進(jìn)。曾經(jīng)的希望現(xiàn)在越來越渺茫，目前 450mm 晶圓離我們不但沒有變近，反倒更加模糊不清。

　　鑒于當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的種種形勢，轉(zhuǎn)向 450mm 晶圓的步伐很有可能會繼續(xù)延緩。一位來自某半導(dǎo)體廠商的高管稱，半導(dǎo)體業(yè)界絕不會減緩升級節(jié)點(diǎn)制程的速度，因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為，從節(jié)點(diǎn)制程的縮減中所獲取的利益，要比采用更大尺寸晶圓所獲得的成本利益更為重要。

　　但事物總是要發(fā)展的，如今先進(jìn)制程到了 3nm 甚至 2nm 以后，摩爾定律逐漸失速，不知業(yè)界是否會將目光重新聚焦到 450mm 晶圓上來。